(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ素子を搭載したインバータ主回路と、
前記スイッチ素子を駆動するゲートドライバと、
三角波キャリアと電圧指令値とに基いて、前記スイッチ素子を駆動するためのオン・オフ制御信号を生成するＰＷＭ制御部と、
前記電圧指令値を演算する制御回路を有する電力変換装置において、
前記電力変換装置の制御演算割込処理と同期して、前記スイッチ素子のオン・オフ制御の制御周期毎に、
電流指令値から、各出力相の電流値を推定する手段と、
推定した前記電流値の関数として、前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失を演算する手段と、
前記電流指令値の極性に基いて、導通するスイッチ素子を判別する手段と、
各出力相の前記電圧指令値に基いて、各出力相のスイッチ素子の制御周期内における通流時間を演算する手段と、
前記電流値および前記通流時間とに基いて、前記スイッチ素子の導通損失を演算する手段と、
前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失と、前記スイッチ素子の導通損失とに基づいて、前記スイッチ素子の発熱量を演算する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
スイッチ素子を搭載したインバータ主回路と、
前記スイッチ素子を駆動するゲートドライバと、
三角波キャリアと電圧指令値とに基いて、前記スイッチ素子を駆動するためのオン・オフ制御信号を生成するＰＷＭ制御部と、
前記電圧指令値を演算する制御回路を有する電力変換装置において、
前記電力変換装置の制御演算割込処理と同期して、前記制御回路内で、前記スイッチ素子のオン・オフ制御の制御周期毎に、
各出力相の電流値を電流指令値から推定する手段と、
推定した前記電流値の関数として、前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失を演算する手段と、
前記電流指令値の極性に基づいて、導通するスイッチ素子を判別する手段と、
キャリア振幅と各出力相の前記電圧指令値の比から、各出力相のスイッチ素子の制御周期内における通流時間を演算する手段と、
前記電流値と、前記電流値の関数である飽和電圧および前記通流時間とに基いて、前記スイッチ素子の導通損失を演算する手段と、
前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失と、前記スイッチ素子の導通損失とに基づいて、前記スイッチ素子の発熱量を演算する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
演算した前記スイッチ素子の発熱量、または発熱量から計算した前記スイッチ素子の温度情報、あるいは温度情報から演算した前記スイッチ素子の劣化状態を記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１または２において、
演算した前記スイッチ素子の発熱量、または発熱量から計算した前記スイッチ素子の温度情報、あるいは温度情報から演算した前記スイッチ素子の劣化状態が、所定状態に達したことを判断する手段と、
前記所定状態に達したとき、警告を報知する外部報知装置を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１または２において、
演算した前記スイッチ素子の発熱量、または発熱量から計算した前記スイッチ素子の温度情報、あるいは温度情報から演算した前記スイッチ素子の劣化状態から、前記スイッチ素子の残存する寿命を演算する手段と、
演算した前記スイッチ素子の残存する寿命を外部表示装置に表示する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記インバータ主回路から給電されるモータを備え、
前記制御回路は、前記モータに対する速度指令値を発生する速度指令発生部と、前記速度指令値に応じて前記電流指令値を出力する速度制御系を備え、
演算した前記スイッチ素子の発熱量、または発熱量から計算した前記スイッチ素子の温度情報、あるいは温度情報から演算した前記スイッチ素子の劣化状態が、所定状態に達したとき、前記速度指令値を制限する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記スイッチ素子の発熱量を演算する手段は、前記スイッチ素子のチップ部分或いは半田部分を対象として演算する手段であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、
外部温度を取得するための温度センサと、
前記スイッチ素子の発熱量に前記温度センサの出力を加算して前記スイッチ素子の温度を演算する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記温度センサは、前記インバータ主回路を形成する前記スイッチ素子の数以下、あるいは、前記スイッチ素子内のチップの数の合計値以下のセンサからなり、
前記スイッチ素子の発熱量に前記温度センサの出力を加算して前記スイッチ素子の温度を演算する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記スイッチ素子の冷却装置またはベース板、前記制御回路を搭載する制御基板、或いは前記スイッチ素子を収容した筐体に設置した温度センサと、
前記スイッチ素子の発熱量に前記温度センサの出力を加算して前記スイッチ素子の温度を演算する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
スイッチ素子を搭載したインバータ主回路と、
前記スイッチ素子を駆動するゲートドライバと、
三角波キャリアと電圧指令値とに基いて、前記スイッチ素子を駆動するためのオン・オフ制御信号を生成するＰＷＭ制御部と、
前記電圧指令値を演算する制御回路を有する電力変換装置の温度上昇演算方法において、
前記電力変換装置の制御演算割込処理と同期して、前記スイッチ素子のオン・オフ制御の制御周期毎に、
電流指令値から、各出力相の電流値を推定するステップと、
前記電流値の関数として、前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失を演算するステップと、
前記電流指令値の極性に基いて、導通するスイッチ素子を判別するステップと、
各出力相の前記電圧指令値に基いて、各出力相のスイッチ素子の制御周期内における通流時間を演算するステップと、
前記電流値および前記通流時間とに基いて、前記スイッチ素子の導通損失を演算するステップと、
前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失と、前記スイッチ素子の導通損失とに基づいて、前記スイッチ素子の発熱量を演算するステップを備えたことを特徴とする電力変換装置の温度上昇演算方法。
【請求項１２】
スイッチ素子を搭載したインバータ主回路と、
前記スイッチ素子を駆動するゲートドライバと、
三角波キャリアと電圧指令値とに基いて、前記スイッチ素子を駆動するためのオン・オフ制御信号を生成するＰＷＭ制御部と、
前記電圧指令値を演算する制御回路を有する電力変換装置の温度上昇演算方法において、
前記電力変換装置の制御演算割込処理と同期して、前記制御回路内で、前記スイッチ素子のオン・オフ制御の制御周期毎に、
各出力相の電流値を電流指令値から推定するステップと、
前記電流値の関数として、前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失を演算するステップと、
前記電流指令値の符号から、導通するスイッチ素子を判別するステップと、
キャリア振幅と各出力相の前記電圧指令値の比から、各出力相のスイッチ素子の制御周期内における通流時間を演算するステップと、
前記電流値と、前記電流値の関数である飽和電圧および前記通流時間とに基いて、前記スイッチ素子の導通損失を演算するステップと、
前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失と、前記スイッチ素子の導通損失とに基づいて、前記スイッチ素子の発熱量を演算するステップを備えたことを特徴とする電力変換装置の温度上昇演算方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２において、
演算した前記スイッチ素子の発熱量、または発熱量から計算した前記スイッチ素子の温度情報、あるいは温度情報から演算した前記スイッチ素子の劣化状態を記憶する記憶ステップを備えたことを特徴とする電力変換装置の温度上昇演算方法。
【請求項１４】
請求項１３において、
演算した前記スイッチ素子の発熱量、または発熱量から計算した前記スイッチ素子の温度情報、あるいは温度情報から演算した前記スイッチ素子の劣化状態が、所定状態に達したことを判断するステップと、
前記所定状態に達したとき、外部報知装置で警告を報知するステップを備えたことを特徴とする電力変換装置の温度上昇演算方法。
【請求項１５】
請求項１１または１２において、
演算した前記スイッチ素子の発熱量、または発熱量から計算した前記スイッチ素子の温度情報、あるいは温度情報から演算した前記スイッチ素子の劣化状態から、前記スイッチ素子の残存する寿命を演算するステップと、
演算した前記スイッチ素子の残存する寿命を外部表示装置に表示するステップを備えたことを特徴とする電力変換装置の温度上昇演算方法。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれかにおいて、
前記インバータ主回路から給電されるモータを備え、
前記制御回路は、前記モータに対する速度指令値を発生する速度指令発生部と、前記速度指令値に応じて前記電流指令値を出力する速度制御系を備え、
演算した前記スイッチ素子の発熱量、または発熱量から計算した前記スイッチ素子の温度情報、あるいは温度情報から演算した前記スイッチ素子の劣化状態が、所定状態に達したとき、前記速度指令値を制限するステップを備えたことを特徴とする電力変換装置の温度上昇演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置およびその温度上昇演算方法に関わり、特に、電力変換装置に使用するスイッチ素子の寿命を評価する電力変換装置およびその温度上昇演算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載された半導体装置の寿命推定方法および半導体電力変換装置では、インバータのＩＧＢＴ素子のベース板に温度検出器を接続し、リプル温度を温度範囲別にカウントしている。
【０００３】
また、特許文献２に記載されたエレベータ制御装置では、寿命評価方法を扱ったものではないが、ＩＧＢＴ素子のジャンクション温度の上昇でチップの熱暴走を防止するために、電流検出器からの出力信号などからチップ当たりの損失を演算している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１０１６６８号公報
【特許文献２】特開平１１−２５５４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、ベース板に温度検出器を接続することになるが、実用上はチップの直下部に温度検出器を接続する必要がある。したがって、特に放熱フィンなどの冷却装置に接続する場合には、温度検出器に配線接続するためにベース板あるいは冷却装置に加工を施す必要がある。また、各相のチップの劣化を評価する場合には、全てのチップ直下に温度センサを設置する必要があり、実装構成が複雑になる恐れがある。
【０００６】
特許文献２に開示された構成では、電流検出器から得られる電流検出値と電圧パルス指令のエッジを検出して得られる電圧のパルス幅からチップ当たりの損失を演算することになる。
【０００７】
しかしながら、この方式では、各相のチップの劣化を評価する場合には、少なくとも各相分のパルスエッジを検出する手段が必要になる。さらに、そのパルスエッジ取り込み信号をトリガとして瞬時電流を読み込む仕組みが必要であるため、専用のＡＤ変換器などが必要になり装置が複雑になる恐れがある。
【０００８】
本発明の目的は、簡便な方法で温度上昇を演算できる電力変換装置または電力変換装置の温度上昇演算方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はその一面において、スイッチ素子のオン・オフ制御の制御周期毎に、電流指令値から各出力相の電流値を推定する手段と、推定した前記電流値の関数として、前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失を演算する手段と、前記電流指令値の極性に基いて、導通するスイッチ素子を判別する手段と、各出力相の前記電圧指令値に基いて、各出力相のスイッチ素子の制御周期内における通流時間を演算する手段と、前記電流値および前記通流時間とに基いて、前記スイッチ素子の導通損失を演算する手段と、前記スイッチ素子のオン損失およびオフ損失と、前記スイッチ素子の導通損失とに基づいて、前記スイッチ素子の発熱量を演算する手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の望ましい実施態様においては、演算処理装置内で電流指令値と電圧指令値を使用してチップの損失の演算を実施する。まず、電流指令値から各出力相の電流値を推定する。チップのオン損失・オフ損失は前記各出力相に流れる電流推定値の関数で表され、演算処理装置内で設定するキャリア周波数と積算して損失を導出できる。また、導通損失は、電流推定値と電流推定値の関数である飽和電圧に通流時間を積算する必要があるが、インバータの制御周期毎にキャリア振幅と電圧指令値の関係から通流時間を導出して演算を実施する。ＩＧＢＴ損失とダイオード損失も電流指令値の符号から判別できる。また、外気温センサを付加することで絶対温度演算も実施できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の望ましい実施態様によれば、電流および電圧の指令値、すなわち演算処理装置の内部情報のみを使用し、簡便な方法で電力変換装置の温度上昇を演算できるので、素子の劣化評価等に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施例による電力変換装置の全体概略構成図である。
【図２】スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦと素子で発生する損失の関係図である。
【図３】スイッチ素子のコレクタ電流とオン損失の関係図である。
【図４】コレクタ電流に対するオン損失のデータテーブルの例である。
【図５】スイッチ素子における電流方向と導通素子の関係図である。
【図６】ＰＷＭ制御における電圧指令値とスイッチ素子の導通期間の関係説明図。
【図７】電力変換装置を構成する半導体スイッチ素子の一例断面図である。
【図８】発熱評価のための回路モデルである。
【図９】本発明の第一実施例により半導体スイッチ素子のチップ（ワイヤのジャンクション部分）温度を演算したシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】連続運転時の半導体スイッチ素子のジャンクション温度の模式図である。
【図１１】温度変化と半導体スイッチ素子の寿命回数の関係の模式図である。
【図１２】本発明の第一の実施例による温度センサの第一の配置例である。
【図１３】本発明の第一の実施例による温度センサの第二の配置例である。
【図１４】本発明の第一の実施例による温度センサの第三の配置例である。
【図１５】本発明の第一の実施例による温度センサの第四の配置例である。
【図１６】本発明の第一の実施例による温度センサの第五の配置例である。
【図１７】本発明の第二の実施例による電力変換装置の全体概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の第一の実施例による電力変換装置の全体概略構成図である。
【００１５】
まず、主回路構成としては、インバータ主回路１と、このインバータ主回路１により給電され駆動されるモータ２を備えている。
【００１６】
次に、制御装置としては、インバータ主回路１を制御するための演算や、インバータ主回路１内の発熱量の演算を実施する制御回路３のほか、センサとして、インバータ主回路１からモータ２へ出力する電流を検出する電流検出器４と、モータ２の磁極位置および回転速度を検出するロータリーエンコーダ５を備えている。
【００１７】
この実施例においては、制御回路３において、制御演算装置内で演算に使用する指令値からインバータ主回路１内のスイッチ素子のチップ発熱量を演算する発熱量演算部１２と、この発熱量演算部１２で演算した発熱量の情報や、発熱量の情報から演算した素子の劣化情報を蓄積するための記憶装置１３と、発熱量演算の情報や履歴に基づいて警告を表示する外部記憶装置１４を備えている。
【００１８】
制御回路３内の制御系の構成としては、速度指令と前記ロータリーエンコーダ５より得られるモータ２の回転速度の差分を速度制御系６に入力し、モータ２の回転速度を速度指令に追従させるためのトルク電流指令値ｉｑ＊を出力する。さらに、電流検出器４から得られる固定座標系の各相（ｕｖｗ相）の電流信号を３相／２相変換部７により、回転座標系（ｄｑ相）の信号ｉｄ，ｉｑに変換する。回転座標系のｄ軸とｑ軸は直交しており、一般的にはｄ軸はモータの界磁成分、ｑ軸はモータのトルク成分を扱う軸になる。つまり、モータ２の制御においては回転座標系に変換することにより、界磁とトルクを独立して制御することが可能になる。前記の回転座標系の電流信号Ｉｄ，Ｉｑは、それぞれ電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に追従させるため、それぞれの差分をｄ軸電流制御系８ｄおよびｑ軸電流制御系８ｑに入力する。さらに、その出力結果である回転座標系における電圧指令を、２相／３相変換部９に入力することにより固定座標系の３相電圧指令に変換し、ＰＷＭ制御部１０により、三角波キャリアと電圧指令値との比較に基いてオン・オフ制御信号を生成する。このオン・オフ制御信号により、ゲートドライバ２７を介して、インバータ主回路１の各スイッチ素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【００１９】
この第一実施例では、制御回路３の内部で発熱量演算部１２により、制御指令値のみを入力因子として、瞬時値によりチップ発熱量を演算し、劣化演算を実施する。
【００２０】
これにより、チップ温度等を計測するために、素子の内部に埋め込む温度センサや、パルス幅を計測する手段などを必要とせず、極めて簡便に、インバータ１を構成するスイッチ素子の温度上昇や、それに基づく劣化を評価できる。
【００２１】
次に、発熱量演算部１２において、制御指令値から発熱量を演算する方法について説明する。
【００２２】
発熱量の演算には、固定座標系の電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊および固定座標系の電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊を使用する。固定座標系の電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊は、回転座標系の電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊を、電流指令用二相／三相変換部１１に入力し、次式により得ることができる。
【００２３】
【数１】
0005514010.tif 000002
【００２４】
ここで、θｍは、ロータリーエンコーダ５より得られるモータ２の磁極位置であり、Ｋは回転座標系から固定座標系へ変換する際の係数である。ここで得られる固定座標系の電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊と、固定座標系の電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊から、以下の述べる方法で瞬時値としてのスイッチ素子損失を演算し、それを用いて素子温度の演算を実施する。
【００２５】
図２は、１個のスイッチ素子に着目した場合におけるＯＮ／ＯＦＦ状態と、素子で発生する損失の関係を表す図である。素子で発生する損失は、
素子損失＝スイッチング損失＋導通損失  …………………………………（２）
で表される。ここで、スイッチング損失は、スイッチ素子がＯＦＦからＯＮに変化する時に発生するオン損失、およびＯＮからＯＦＦに変化する時に発生するオフ損失であり、それぞれ、スイッチング周期（キャリア周期）の１周期当たり１回発生する。したがって、
【００２６】
【数２】
0005514010.tif 000003
【００２７】
として表される。ここで、ｆｓｗはスイッチング周波数である。オン損失（Ｅｓｗ＿ｏｎ）、オフ損失（Ｅｓｗ＿ｏｆｆ）は、以下に述べるように、ともに素子のコレクタ部に流れるコレクタ電流Ｉｃの大きさの関数値になる。
【００２８】
図３は、コレクタ電流とオン損失（Ｅｓｗ＿ｏｎ）の関係を示す図である。オン損失（Ｅｓｗ＿ｏｎ）は、図３の実線のようになり、例えば、三次多項式を用いて、（４）のように表される。
【００２９】
【数３】
0005514010.tif 000004
【００３０】
ここで、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは定数値である。コレクタ電流Ｉｃの瞬時値は、導通時には対応する相の固定座標系の電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊に等しい値であり、非導通時には零とみなすことができる。第一実施例では、発熱量演算部１２あるいはメモリ１３にこれらの係数を予め記憶させて置き、スイッチング周期毎に固定座標系の瞬時電流指令値を（４）式に代入することでオン損失を演算できる。また、図３の点線のように、電流区間ごとに一次式近似してオン損失を演算しても良い。この場合は、演算負荷を軽減できる効果がある。さらに、コレクタ電流に対するオン損失のテーブル値を発熱量演算部１２あるいはメモリ１３に予め備え、適宜、読みだしても良い。
【００３１】
図４はコレクタ電流に対するオン損失のテーブルの例である。例えば、スイッチング周期毎に瞬時のコレクタ電流に対応する値を読み出すことで高速かつ正確にオン損失を導出できる。
【００３２】
オフ損失（Ｅｓｗ＿ｏｆｆ）についても、オン損失（Ｅｓｗ＿ｏｎ）と同様に、（４）式を用いて導出することができる。
【００３３】
また、オン損失（Ｅｓｗ＿ｏｎ）に含まれるダイオードのリカバリ損失も同様に、
【００３４】
【数４】
0005514010.tif 000005
【００３５】
として表され、１スイッチング当たりのリカバリ損失（Ｅｒｒ）もコレクタ電流Ｉｃの関数値になる。このためリカバリ損失についてもオン損失と同様に導出することができる。
【００３６】
次に、導通損失の演算方法について説明する。スイッチ素子の導通損失は、導通状態で電流が流れることにより発生する損失である。一般に、スイッチ素子の導通損失Ｒｃｓは、
【００３７】
【数５】
0005514010.tif 000006
【００３８】
として表される。同様に、ダイオードの導通損失Ｒｃｄは、
【００３９】
【数６】
0005514010.tif 000007
【００４０】
として表される。しかし、モータ２が同期電動機で、特に極低速運転の場合や、加速中の場合には、特定の素子に電流が集中したり、電流振幅が急変することになるため、正確な電流実効値の演算が困難になる。このため、（６）式、（７）式の演算値に対して誤差は大きくなる。
【００４１】
そこで、第一実施例では、導通損失に対しても、１周期毎に指令値から逐次演算し、瞬時損失を演算する新方式を採用する。特に、相電流の方向と、１周期期間の通流幅（デューティ比）から、素子ごとの導通損失を演算する。
【００４２】
図５は、スイッチ素子における電流方向と導通素子の関係図である。
【００４３】
図は、出力相１相分の素子のモデルであり、正極側のスイッチ素子ＩＧＢＴｐと負極側のスイッチ素子ＩＧＢＴｎが直列接続され、その中点が負荷に接続される構成である。また、各スイッチ素子にはダイオードＤｐ，Ｄｎがそれぞれ並列に接続された構成である。
【００４４】
図５では、素子から負荷方向に電流が流れる場合を正とする。出力電流が正の場合は、図５（ａ）のように正極側のスイッチ素子ＩＧＢＴｐと負極側のダイオードＤｎが導通素子となり、電流が負の場合は、図５（ｂ）のように負極側のスイッチ素子ＩＧＢＴｎと正極側のダイオードＤｐが導通素子となる。なお、出力電流の正負は該当する相の電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊の符号と等しい。
【００４５】
図６は、ＰＷＭ制御における電圧指令値とスイッチ素子の導通期間の関係を説明する図である。図６の出力指令パルスに着目した場合、正極側のスイッチ素子ＩＧＢＴｐと負極側のスイッチ素子ＩＧＢＴｎの出力電圧の指令パルスは反転した指令となる。出力電圧のパルスと出力電流指令値の関係は、図５（ａ）に示した出力電流指令が正の場合は、Ｔｐｏｎの区間は正極側のスイッチ素子ＩＧＢＴｐに電流が流れ、Ｔｐｏｆｆの区間は負極側のダイオードＤｎに電流が流れることになる。同様に、図５（ｂ）に示した出力電流指令が負の場合は、Ｔｐｏｎの区間は正極側のダイオードＤｐに電流が流れ、Ｔｐｏｆｆの区間は負極側のスイッチ素子ＩＧＢＴｎに電流が流れる。
【００４６】
また、図６より、スイッチング周期Ｔｓｗに対するＴｐｏｎとＴｐｏｆｆの比率は、三角波キャリアの大きさと電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，またはｖｗ＊の関係で決定する。一般にＤＣリンクの直流電圧値である三角波キャリアの振幅をＶｄｃ、スイッチング周期をＴｓｗとした場合の比率は、（８），（９）式となる。
【００４７】
【数７】
0005514010.tif 000008
【００４８】
【数８】
0005514010.tif 000009
【００４９】
つまり、電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊またはｖｗ＊から比率を演算することができる。
【００５０】
１周期Ｔｓｗ当たりの各素子の損失は、例えば、一般的なインバータ装置の制御演算処理の一環として、図６のように、三角波キャリアの山の位置において制御演算割込を発生させ、その時の指令値（瞬時値）を使用して演算する。つまり、インバータ装置の制御演算割込処理と同期して損失の演算を行うことにより、精度の高い演算が可能になる。これは、指令値の更新は割り込み周期であるため、それよりも短い周期で演算しても演算結果は変化しないためである。
【００５１】
出力電流指令が正の場合、（１０），（１１）式となる。
【００５２】
【数９】
0005514010.tif 000010
【００５３】
【数１０】
0005514010.tif 000011
【００５４】
一方、出力電流指令が負の場合、（１２），（１３）式となる。
【００５５】
【数１１】
0005514010.tif 000012
【００５６】
【数１２】
0005514010.tif 000013
【００５７】
したがって、各素子の瞬時損失は、出力電流指令が正の場合、（１４），（１５）式となる。
【００５８】
【数１３】
0005514010.tif 000014
【００５９】
【数１４】
0005514010.tif 000015
【００６０】
一方、出力電流指令が負の場合、（１６），（１７）式として導出できる。
【００６１】
【数１５】
0005514010.tif 000016
【００６２】
【数１６】
0005514010.tif 000017
【００６３】
また、コレクタ−エミッタ間飽和電圧Ｖｃｅ（ｓａｔ）、エミッタ−コレクタ間飽和電圧Ｖｅｃ（ｓａｔ）についても、オン損失と同様に、コレクタ電流Ｉｃに依存する関数すなわち電流指令値ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊に依存する関数として演算できる。すなわち、オン損失の場合と同様に、数値演算あるいはテーブル参照により導出できる。
【００６４】
したがって、導通損失も電圧指令値と電流指令値から演算することができる。
【００６５】
図７は、電力変換装置を構成する半導体スイッチ素子の断面の概略図である。半導体のチップ１５はワイヤ１６を介して、導体部分１８と絶縁物１９からなる基板に半田１７を介して接続される。また、基板部分は半田１７およびベース板２０を介して冷却装置２１に接続される。発熱により温度が上昇した場合は半田１７や導体部分１８は膨張し、温度が下がると収縮する。この膨張と収縮の繰り返しにより、ワイヤ１６部分においては半田１７の剥がれが発生する。さらに、半田１７と導体部分１８やベース部分２０の熱膨張率の違いから温度上昇時には応力が発生する。この応力が繰り返されることによって、基板とベース板２０の間の半田部分（下側半田層）ではクラックが発生する。これらの劣化は、図１１に示す温度変化と寿命回数の関係のように温度の上昇幅（変化幅）に対して指数関数的に進行する。
【００６６】
図８は、発熱評価のための回路モデルである。損失量と温度の関係は、図のような回路モデルで評価できる。つまり、熱源にあたる損失量Ｐ［ｎ］を、素子・冷却器の過渡熱インピーダンスモデルに与えることで、温度Ｔ［ｎ］を導出できる。Ｔａは外気温度であり、熱量Ｐ［ｎ］により発生する温度上昇に対してオフセット量として加算される。素子・冷却器の過渡熱インピーダンスモデルは、図８のように、熱抵抗成分Ｒと熱容量成分Ｃを使用したＣＲ回路による熱回路モデルを組み合わせることで表現できる。例えば、１並列のＣＲ回路では、（１８）式が成り立つ。
【００６７】
【数１７】
0005514010.tif 000018
【００６８】
ここで、Δｔｃは制御周期を表し、図６の場合には、制御演算割込の周期であるスイッチング周期Ｔｓｗと等しい。（１８）式を展開すると、（１９）式となり、温度Ｔ［ｎ］を演算できる。
【００６９】
【数１８】
0005514010.tif 000019
【００７０】
第一実施例では、発熱量演算部１２において素子に対応するＣＲ回路モデルに基づく（１９）式の演算も実施する。さらに、その演算結果の温度情報を記憶装置１３に記憶する。
【００７１】
また、図８のように、ＣＲ回路を、適宜、直列接続した形態で演算することにより詳細な素子や冷却装置の過渡熱インピーダンスを模擬することができ、発熱温度の計算精度を向上させることができる。
【００７２】
図９は、本発明の第一実施例により半導体スイッチ素子のチップ（ワイヤのジャンクション部分）温度を演算したシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションにおいては、永久磁石モータを負荷としてインバータを駆動したモデルで実施した。
【００７３】
図９より、加速時の電流が大きい部分のみならず、点線部のように起動・停止時の極低速領域においても、温度が上昇していることが判る。これは、極低速時には、特定の素子に電流が集中すること、並びに、低速時には、過渡熱インピーダンスが大きくなるためであり、第一実施例のように、制御周期Δｔｃ毎に指令値により瞬時損失を演算することで低速時の動作を良く模擬できる効果がある。
【００７４】
図１０は、連続運転時の半導体スイッチ素子のジャンクション温度の模式図である。一般的に連続運転開始時の温度は上昇傾向であり、連続運転回数に伴って温度は飽和する特性になる。これは、冷却装置の熱時定数の低いため、飽和までに十分時間を要することが要因であり、素子の劣化には１運転の温度変化量ΔＴ１のみならず、連続運転に伴う温度変化量ΔＴ２も考慮する必要がある。
【００７５】
図１１は、温度変化と半導体スイッチ素子の寿命の関係の模式図である。温度変化に対する寿命（ヒートサイクル回数）の関係は、図１１のように、温度変化幅に対して指数関数的に進行するため、図１０のΔＴ１のように温度変化量は小さいが頻度が多い成分と、ΔＴ２のように頻度は少ないが温度変化量は大きい成分の両方を考慮しなければならない。
【００７６】
第一実施例では、制御周期Δｔｃのタイミングで逐次温度を発熱量演算部１２で演算する形態であるため、簡便に素子の温度上昇を演算するとともに、これを記憶装置１３に記録することにより、残存する寿命を推定することが可能である。この残存する寿命を外部表示装置１４に表示することは、定期点検を行う保守員にとって、非常に有益である。
【００７７】
また、連続運転状態の波形から、発熱量演算部１２で実効的に消費した寿命を演算し、その結果を記憶装置１３に蓄積することにより、残存する寿命を推定する方式でも良い。この場合は、実効的な寿命分のみの保存で良いため、記憶容量を小さくできる効果がある。
【００７８】
図１の第一実施例では、温度が所定値を超えることが予想されたり、残存する寿命が所定値よりも少なくなった場合には、外部表示装置１４に、その旨を表示して、手当て、あるいは修理・交換を促す。
【００７９】
このように、破壊が発生する前に、利用者に情報を与えることにより、素子の不意な破壊によるインバータ駆動動作の中断を防止できる。また、例えば、破壊時に短絡モードになり、配線等を焼損させるなどの二次的な被害を防止できる効果がある。
【００８０】
また、残存する寿命が所定値よりも少なくなった場合には、運転速度あるいは加減速度を制限しても良い。この場合は、素子の寿命破壊に対して応急的な延命を図ることができ、例えば、至急な交換ができない状態である場合においても、時間的な裕度を確保できる効果がある。
【００８１】
また、図９、図１０では、半導体スイッチ素子のチップのジャンクション部分の温度についての演算について記載しているが、基板とベース板２０の間の半田層の温度を演算し、その変化から半田のクラックなどに依存する素子寿命を推定しても良いことは言うまでもない。
【００８２】
また、特定の素子、例えば、出力相のうちのＶ相のみにおいて温度の演算を実施しても良い。これにより、演算負荷を軽くすることができる上、情報を記憶するための記憶容量を削減できる効果がある。
【００８３】
次に、図８、あるいは図１０における外部温度Ｔａを把握するための温度センサ２２を取り付けた例について説明する。使用温度条件が一定である室内等の場合は、Ｔａとして一定値を与えて演算することで温度センサ等を使用せずに温度の演算を実施しても良い。
【００８４】
しかしながら、温度環境が厳しい場合、例えば、寒冷地の屋外環境で昼夜温度が大きく異なる場合などは、例えば、図１０のように連続運転をせずとも、ＴａがΔＴ２のように変動して寿命回数に影響を与える。そこで、第一実施例では、素子のモジュール内温度ではなく、外気温度を測定する温度センサ２２を取り付ける。
【００８５】
これにより、極簡単な温度センサの追加で素子モジュール内部のチップの絶対温度を演算することが可能になる。
【００８６】
図１２は、本発明の第一の実施例による温度センサの配置の第一の例である。図１２では冷却装置２１の上に温度センサ２２を搭載する。この場合は、特に複数の素子モジュールを搭載している場合は熱干渉等の影響を受ける場合があるが、図８の過渡熱インピーダンスの要素として冷却装置２１を考慮しなくても良いため演算が簡単になる効果がある。
【００８７】
この場合は、冷却装置２１が水冷システムのように熱容量が大きく、熱変化が少ない形態であれば、他モジュールの熱干渉の影響を緩和できる効果がある。
【００８８】
図１３は、本発明の第一の実施例による温度センサの配置の第二の例である。図１３では素子のベース板２０の上に温度センサ２２を搭載する。この場合も図１２の温度センサの配置の第一の例と同様に過渡熱インピーダンスの要素として冷却装置２１を考慮しなくても良いため演算が簡単になる効果がある。また、この場合は、他素子モジュールの熱干渉を受けにくい効果がある。
【００８９】
図１４は、本発明の第一の実施例による温度センサの配置の第三の例である。図１４では素子を駆動するための制御演算装置３を搭載する制御基板２３の上に温度センサ２２を搭載する。この場合は、プリント板上の配線パターンで接続することが可能であるため、電線等の配線を削除できる効果がある。
【００９０】
図１５は、本発明の第一の実施例による温度センサの配置の第四の例である。図１５では装置の筐体の内部に温度センサ２２を設置する。この場合は、筐体内部の隙間部分に配置すれば良いため配置の自由度が大きくなる効果がある。特に、冷却装置２１が水冷システムのように熱容量が大きい形態であれば、筐体内部に熱がこもる場合の影響を小さくできる効果がある。
【００９１】
図１６は、本発明の第一の実施例による温度センサの配置の第五の例である。図１６では装置の筐体の外部に温度センサ２２を設置する。この場合は、筐体内部に熱がこもる場合の影響を受けないため、（１８）式の温度演算の精度を高くできる効果がある。
【００９２】
図１２から図１６では、温度センサ２２を取り付け位置について述べたが、これは、モジュールの外部の温度を起点にモジュール内のチップの絶対温度を演算することが目的である。すなわち、例えば、素子モジュールが複数搭載されている場合においても、温度センサの数は素子モジュールの数よりも少ない数、例えば１個の温度センサで良く、実装形態の複雑化を抑制できる効果がある。
【実施例２】
【００９３】
図１７は、本発明の第二の実施例による電力変換装置の全体概略構成図であり、第一実施例における電流センサ４を使用せず、インバータの直流を流れる電流からモータ２に流れる電流を推定する方式に関するものである。
【００９４】
この実施例においては、直流部分に流れる電流を、例えば、シャント抵抗２５の両端に発生する電圧から測定し、制御演算装置３内の電流演算部２６によって、界磁電流ｉｄ成分とトルク電流ｉｑ成分を導出する。第二実施例の形態においても、これらの電流に対する指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を演算しており、第一実施例と同様に、電流指令用二相／三相変換部１１により、各相の素子に流れる電流指令ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を演算できる。また、電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊も同様に演算できる。
【００９５】
したがって、第二実施例の形態においても、発熱量演算部１２において、第一実施例と同様の処理でインバータを構成する半導体スイッチ素子の発熱量を演算でき、その寿命を演算することができる。
【００９６】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で様々変形して実施できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９７】
１…インバータ主回路、２…モータ、３…制御演算装置、４…電流センサ、５…ロータリエンコーダ、６…速度制御系、７…三相／二相変換部、８ｄ…ｄ軸電流制御系、８ｑ…ｑ軸電流制御系、９…二相／三相変換部、１０…ＰＷＭ制御部、１１…電流指令用二相／三相変換部、１２…発熱量演算部、１３…記憶装置、１４…外部表示装置、１５…チップ、１６…ワイヤ、１７…半田、１８…絶縁物、１９…導体、２０…ベース板、２１…冷却装、
２２…温度センサ、２３…制御基板、２４…筐体、２５…シャント抵抗、２６…電流演算部、２７…ゲートドライバ。
【図１】
0005514010.tif 000020
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005514010.tif 000026
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005514010.tif 000029
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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